基于PPLN的中红外连续光学参变振荡器研究进展

基于周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体和准相位匹配的连续波光学参变振荡器可以在3μm~5μm中红外波段产生连续可调谐相干辐射,在大气环境污染监测、遥感、激光雷达、光谱分析以及军事红外对抗等领域具有很高的应用价值。介绍了基于PPLN晶体的中红外连续波光参变振荡器近年来在高功率、低抽运阈值、宽调谐、窄线宽等方面的研究进展,并对基于PPLN晶体的连续波光学参变振荡器的优势特点及其涉及的一些技术方法展开讨论。目前基于PPLN的中红外连续光学参变振荡器的研究主要集中在上述4个领域,随着抽运光源性能及非线性晶体制备水平不断提高,将向着更高功率、更低阈值、更宽调谐范围、更窄线宽的方向迈进。     

中红外PPMgLN光参变振荡器技术研究

为了实现3.8μm激光输出,采用了1.064μm激光抽运周期性极化掺氧化镁铌酸锂晶体（MgO掺杂摩尔分数为0.05）的光参变振荡器技术,由理论分析得到1.064μm激光抽运PPMgLN实现激光输出时,输出波长与极化周期以及温度的关系曲线。实验中,当晶体周期为29.2μm、温度为400K时,实现了3.8μm激光输出;当抽运功率为35W、声光调Q频率为8kHz条件下,获得3.84μm激光输出的平均功率为3.9W,其转换效率为11.14%,激光光束质量为6.46。结果表明,该技术可以获得较高转换效率的3.8μm激光输出,有望成为中红外激光对抗的激光干扰源。     

中红外连续波光学参变振荡技术研究进展

中红外连续波光学参变振荡技术是非线性变频领域关注的热点。它在激光通信、光谱学研究、遥感技术以及军事上的红外对抗等方面具有重要的应用。分析和对比了用于中红外输出的非线性晶体的主要特性,简单综述了国内外中红外连续波光学参变振荡技术的实验与理论研究情况,并基于研究现状提出其未来一些的研究方向。目前,中红外连续波光学参变振荡器能够实现3～5μm范围,输出功率范围在百毫瓦到十瓦之间的高稳定性、宽调谐的光输出。随着激光器技术的发展和周期性极化晶体性能的进一步提高,下一步有望在更大调谐范围内实现更高功率的中红外连续激光输出。     

掺镱脉冲光纤激光器抽运的高功率PPMgLN光参变振荡器

报道了研制主振-放大（MOPA）结构的高功率保偏掺镱脉冲光纤激光器并用其抽运光参变振荡器（OPO）的研究工作。掺镱脉冲光纤激光器以声光调Q的Nd∶YVO4激光器作为种子源, Liekki的大直径双包层保偏光纤作为放大介质, 得到接近基模的1064 nm波长激光输出, 最大线偏振输出功率17 W, 偏振消光比优于10 dB, 重复频率50 kHz, 脉冲宽度60 ns。利用该光纤激光作为抽运光, 抽运基于周期性畴极化反转掺镁铌酸锂（PPMgLN）晶体的宽带可调谐OPO, 实现了高效参量转换。在信号光1518 nm通道, 以16.2 W功率抽运, 获得最大参变输出功率9 W, 其中3.5 μm波长功率为2.4 W。OPO的能量转换效率为58%, 斜效率为68％。在信号光1491 nm通道, 以14 W功率抽运, 获得最大参变输出6.6 W, 其中3.7 μm波长功率超过2 W。     

近红外掺镁周期极化铌酸锂光参变振荡器

研究了掺镁周期性极化铌酸锂光参变振荡器(PPMgLN-OPO)在近红外波段的调谐特性和输出特性。计算了PPMgLN-OPO的调谐曲线,并采用Nd:YVO4激光器产生的1.064μm激光作为抽运源,验证了其温度调谐特性,实现了1.8～2.6μm的可调谐红外激光输出。此外,比较了长度为2cm和3cm的PPMgLN晶体的OPO输出特性,并在抽运功率为6.7W时,获得了最高功率为3.2W的2μm激光输出,转换效率达47.8%。     

PPMgLN中红外宽调谐脉冲光参变振荡器

采用半导体激光器(LD)端面抽运声光调Q的Nd:YVO4激光器做为抽运源,选用周期性极化掺氧化镁铌酸锂晶体(PPMg LN),通过优化抽运光光束质量和模式匹配,获得了中红外光参变振荡器。实验发现,对于确定的LD抽运功率,当重复频率较小,输出功率随着重复频率的增加而增加,但是达到某一重复频率时,输出功率便随着重复频率的增加而减少。改变PPMg LN晶体的周期,实现了中红外2.95~4.16 mm宽带调谐。     

基于光参量振荡的35 kHz中红外激光器研究

研究了基于高重频1064 nm激光泵浦的3.8 μm周期性极化铌酸锂(periodically poled LiNbO₃, PPLN)光参量振荡器(optical parametric oscillator, OPO)。采用Nd :YVO₄声光调Q激光器,获得了光束质量良好,重复频率25~35 kHz,最大平均输出功率6.1 W,脉冲宽度59.1 ns的1064 nm基频激光。模拟分析了在1064 nm激光泵浦下,极化周期Λ=29.5 μm MgO:PPLN晶体的温度调谐特性。通过实验,在25~200 ℃的温度范围内,获得了3599.6~3845.5 nm连续变化的中红外激光。当PPLN晶体温度为30 ℃,基频光功率为6.1 W时,得到了最大输出功率0.45 W ,重复频率为35 kHz的3845.5 nm中红外光输出。     

连续调谐输出的多周期极化铌酸锂晶体光学参量振荡器

对基于多周期极化铌酸锂晶体(PPLN)的信号光单谐振准相位匹配光学参量振荡器(QPM—OPO)，进行了温度调谐的理论和实验研究。以激光二极管(LD)端面抽运的声光调Q Nd：YVO4全固态激光器为抽运源，获得了1369．7～1678．8nm无重叠波段连续可调谐输出。给出了1064nm Nd：YVO4激光器抽运下，由PPLN的极化周期和温度直接计算输出信号光波长的公式，以及由信号光波长和极化周期计算相应的晶体温度的公式。这样就可直接计算实现无重叠波段连续可调谐输出时不同极化周期所对应的温度调谐范围，而不必联立能量守恒和动量守恒公式，逐点进行尝试。另外，周期极化晶体的极化周期不可避免地较理想值有一定的偏移，且具有不均匀性，给出了利用实验获得的温度调谐曲线，对极化周期进行修正计算的方法。     

基于PPMgO∶LN晶体的连续波全光纤激光器倍频特性

高功率光纤激光器与周期性极化非线性晶体相结合的频率转换技术,是实现可见及紫外波段激光输出的有效技术手段。本文以线偏振输出的连续波全光纤化激光振荡器为基频光源,以5%(摩尔分数)氧化镁掺杂的周期性极化铌酸锂(PPMgO∶LN)为倍频晶体,进行了单通倍频的实验研究,测量并分析了PPMgO∶LN的温度调谐特性。控制晶体温度为26.9℃,在基频光功率为8.05W时,实现了17.84%的谐波转换效率,对应的倍频绿光功率为1.437W。     

中红外砷酸钛氧钾光参变振荡器的实验研究

为了得到高能量中红外激光输出,对电光调Q灯抽运1064nm Nd:YAG抽运复合腔砷酸钛氧钾(KTA)光学参变振荡器(OPO)作了实验研究,在工作频率1Hz时得到OPO输出单脉冲能量6mJ,信号光脉宽10ns,闲频光波长407nm,能量11mJ.在5Hz～40Hz范围单脉冲能量随重复频率增高而降低.实验中采用的复合腔抽运技术有利于提高转换效率,降低起振阈值.使用上述光源对中红外成像器件作实验,在成像系统监视器上观察到激光光斑.这一结果对中红外激光器的研究是有帮助的.     

准相位匹配PPMgLN光参量振荡技术

理论上分析了掺MgO的周期极化LiNbO_3(PPMgLN)晶体准相位匹配光参量振荡(QPM-OPO)波长的调谐特性,计算了抽运阈值和转换效率。采用高斯光束抽运,当抽运功率密度为阈值抽运功率密度约6.5倍时,可以获得约71%的转换效率。而相位匹配情况下,平面波抽运功率密度为阈值(π/2)~2倍时,转换效率可达到100%。1064 nm激光抽运PPMgLN晶体(MgO摩尔分数5%),单谐振光参量振荡技术采用e→e e相位匹配,利用PPMgLN晶体的最大非线性系数d_(33)(27.4 pm/V),采用周期调谐方式,实验上获得了中红外波长调谐范围2.7～4.8μm,当抽运功率为23 W,频率为7 kHz时,在波长3.7μm处激光输出功率超过3.2 W,斜率效率超过18%,对应闲频光波长1.49μm输出功率约8 W,相当于转换斜率效率约为63%。实验结果与理论分析基本一致。     

周期极化掺镁铌酸锂晶体的光学参量振荡

采用短脉冲极化电场法,在1 mm厚的掺摩尔分数0.05镁的铌酸锂晶体上成功制备了周期为30μm的极化光栅。以输出波长为1.064μm的声光调QNd∶YAG固体激光器作为基频抽运源对其进行了光学参量振荡实验,光参量振荡阈值功率为45 mW(重复频率为1 kHz),在输入功率为490 mW,控温炉温度为160℃时,获得了94 mW的波长为1544 nm的信号光输出,转换效率达到19.2%。并且通过调谐晶体温度(20~180℃),获得了调谐范围为1503~1550 nm的信号光稳定输出。实现了可调谐红外光的稳定输出,验证了晶体周期结构的均匀性。     

Ar+激光器泵浦的连续波KTP光学参量振荡器研究

对Ar 激光器泵浦的连续波KTP光参量振荡器(cwKTP-OPO)进行了理论研究.讨论了KTP-OPO的相位匹配,计算了KTP的有效非线性系数、走离角及允许角,数值模拟了KTP-OPO的转换效率和振荡阈值.同时,分析了相位失配、晶体长度以及输出镜耦合率对转换效率和阈值的影响.本文对连续波KTP光参量振荡器的初步设计和优化有一定的参考价值.     

周期极化掺镁铌酸锂光参量振荡器的输出光谱特性

实验研究了基于多周期的掺镁铌酸锂晶体光参量振荡器(OPO),分析了光学参量振荡器的输出光谱特性.实验中,采用激光二极管(LD)端面抽运的声光调Q Nd:YVO4激光器作为光参量振荡器的抽运源,谐振腔采用双凹腔结构.在调Q开关重复频率为10 kHz,周期极化掺镁铌酸锂(PPMgLN)晶体的温度为25.4℃的条件下,实验测得光学参量振荡器的振荡阈值为110 mW.当输入的抽运光的平均功率为325 mW时,获得了平均功率为84 mW的信号光输出,其光-光转换效率为25.8%.通过改变周期极化掺镁铌酸锂晶体的温度(25.4～120℃)和极化周期(28.5～30.5 μm),实现了信号光在1449.6～1635 nm范围内的可调谐输出.在室温25.4℃时,观测到了抽运光与信号光的和频光的光谱.实验结果表明.光参量振荡器输出光谱的半峰全宽(FWHM)小于0.5 nm.     

波长间隔可调谐多波长光纤光学参量振荡器

提出并实现了一种以高非线性色散位移光纤为增益介质,以光栅对形成谐振腔,简单线形结构的连续光抽运的波长间隔可调谐多波长光纤光学参量振荡器(MW-FOPO)。采用波长可调谐的窄线宽激光器作为抽运种子光源,以伪随机相位调制抽运光来抑制高非线性光纤中的受激布里渊(SBS)散射效应,结合高功率掺铒光纤放大器构成光纤光学参量振荡器的大功率抽运,通过四波混频(FWM)效应获得了室温下稳定的多波长激光输出。MW-FOPO的波长间隔可以通过调节抽运波长进行调谐。在1505~1615 nm光谱范围内,获得了17条消光比大于10 dB的多波长谱线。实验证明了MW-FOPO实现多波长激光光源的优异特性。     

基于PPMgLN晶体的高功率可调谐中红外光学参量振荡器

报道了一种基于周期极化掺氧化镁铌酸锂（MgO-doped Lithium Niobate,PPMgLN）晶体的高效可调谐中红外光学参量振荡器（Optical Parametric Oscillator,OPO）。采用自行设计的激光二极管（Laser Diode,LD）双端泵浦Nd:YVO₄声光调Q激光器作为OPO的泵浦源来泵浦PPMgLN晶体,实现了准相位匹配（Quasi-Phase Matching,QPM）单谐振中红外激光输出。当泵浦功率为14.37 W时,获得了平均功率为2.39 W的闲频光输出,其转换效率为16.63%。通过调节PPMgLN晶体的极化周期,可以实现闲频光在3.41³.97μm内的波长调谐。     

Ar~+激光器泵浦的连续光学参量振荡器的环形腔设计

对Ar 激光器产生的514.5nm连续光泵浦的光学参量振荡器(CW-OPO)做了理论分析,从几个方面对非线性晶体KTP、LBO、BBO做了分析比较.最后选择KTP作为参量振荡晶体,采用Ⅱ类非临界相位匹配,可以减少走离效应,并针对所设计的条件计算了KTP晶体的泵浦阈值.为了进一步提高参量光的输出转换效率,采用环形腔进行腔型优化,并合理设计腔内各个器件的参数,理论上可以输出1029nm左右的参量光.